模擬土壤增溫和林內(nèi)減雨對暖溫帶銳齒櫟林土壤呼吸的影響及其微生物響應(yīng)

【摘要】：氣候變化已成為當今國際社會不爭的事實,大氣中二氧化碳等溫室氣體濃度增加引起全球變暖,氣候變暖改變大氣環(huán)流運動引起區(qū)域降水格局變化和極端降水事件的頻率增加。森林作為陸地生態(tài)系統(tǒng)的主體,在參與全球碳循環(huán)、減緩氣候變暖方面發(fā)揮著巨大的作用。探討模擬氣候變化背景下森林土壤碳庫及關(guān)鍵碳過程的長期響應(yīng)規(guī)律,以及生物和非生物的調(diào)控機制對準確預(yù)測全球變暖與陸地生態(tài)系統(tǒng)之間的反饋作用具有重要的科學(xué)意義。本研究以我國亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)天然林落葉闊葉林為研究對象,采用完全隨機區(qū)組試驗設(shè)計,在代表性銳齒櫟(Quercus acutidentata)天然次生林中開展原位土壤紅外輻射增溫模擬實驗,并同時輔以林內(nèi)穿透雨減少控制的試驗,采用Li-8100土壤CO2通量測量系統(tǒng)長期監(jiān)測土壤碳通量,運用磷脂脂肪酸法測定土壤微生物群落結(jié)構(gòu),輔助以96-微平板法測定土壤微生物功能,分析土壤碳排放對長期模擬氣候變化的響應(yīng)及其機理。主要研究結(jié)果如下:(1)非壕溝樣地中:土壤增溫處理與增溫+減雨處理顯著提高了土壤5cm溫度,分別比對照處理土壤5cm溫度提高了1.54℃和1.12℃;增溫+減雨處理顯著降低了土壤5cm濕度,與對照處理相比土壤5cm濕度降低了5.23%,減雨處理與增溫處理雖降低了土壤5cm濕度,但未達到顯著水平。壕溝樣地中:土壤增溫處理與增溫+減雨處理顯著提高了土壤5cm溫度,分別比對照處理土壤5cm溫度提高了1.33℃和0.99℃;土壤增溫和減雨處理對土壤5cm濕度的影響并不顯著(2)土壤增溫和林內(nèi)減雨處理顯著改變了土壤有機碳含量;根系對土壤有機碳含量和可溶性有機碳含量沒有顯著影響,但顯著改變了不同處理對土壤無機氮含量的影響。壕溝樣地中,增溫處理主效應(yīng)導(dǎo)致生長季土壤銨態(tài)氮含量增加29.00%,非生長季土壤銨態(tài)氮含量增加42.36%;減雨處理主效應(yīng)導(dǎo)致生長季土壤硝態(tài)氮含量增加129.65%,非生長季土壤硝態(tài)氮含量增加74.68%。與非壕溝處理相比,壕溝處理不同程度降低了土壤銨態(tài)氮含量卻增加了土壤硝態(tài)氮含量:生長季中,對照處理土壤NH4+含量降低了38.08%;增溫+減雨處理土壤NH4+含量降低了16.07%;與土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)不同,除對照處理外,增溫、減雨和增溫+減雨處理壕溝樣地顯著增加了土壤NO3-含量,土壤硝態(tài)氮含量分別提高了180.86%、351.22%和208.37%;非生長季中,對照處理壕溝樣地顯著降低了土壤NH4+含量降低了39.85%;對照、增溫、減雨和增溫+減雨處理土壤硝態(tài)氮含量分別提高了168.05%、178.29%、303.22%和522.51%。研究結(jié)果表明模擬氣候變化(土壤增溫和林內(nèi)減雨)顯著改變了暖溫帶落葉闊葉林土壤碳庫,氣候變化背景下植物根系在調(diào)控土壤氮素轉(zhuǎn)化中發(fā)揮著重要的作用。(3)影響該區(qū)土壤呼吸的主要環(huán)境因子是溫度因子,5cm土壤溫度可以解釋土壤呼吸速率的82.3%~88.5%。除土壤溫度因子外,土壤增溫和林內(nèi)減雨處理導(dǎo)致土壤濕度降低增加了土壤呼吸和土壤濕度的相關(guān)性,5cm土壤濕度可以解釋土壤呼吸速率的6.6%~9.1%。進一步分析表明:干旱事件中土壤濕度同土壤溫度一樣是影響該區(qū)土壤呼吸的重要環(huán)境因子,5cm土壤溫度和濕度分別可以解釋土壤呼吸速率的73.8%和37.1%。長期模擬試驗處理導(dǎo)致土壤呼吸對調(diào)控的土壤溫度和濕度產(chǎn)生了適應(yīng)性響應(yīng),土壤底物數(shù)量(全氮、溶解性有機碳和細根生物量)和質(zhì)量(土壤碳氮比)的無差別響應(yīng)可以很好地解釋這種現(xiàn)象。土壤呼吸適應(yīng)性響應(yīng)不會引起氣候變化背景下土壤碳庫的持續(xù)變化,這也會緩解土壤碳排放與氣候變暖之間的正反饋作用。(4)同土壤總呼吸一樣,土壤溫度是影響該區(qū)土壤呼吸組分的主要環(huán)境因子,5cm土壤溫度可以解釋土壤異養(yǎng)呼吸速率的79.0%~87.4%;土壤濕度可以解釋土壤異養(yǎng)呼吸速率的11.6%~31.1%,土壤濕度在調(diào)控土壤呼吸組分中起雙重作用:當土壤含水量低于25%時,濕度因子對土壤異養(yǎng)呼吸起促進作用,當土壤含水量高于25%時,濕度因子對土壤異養(yǎng)呼吸起抑制作用。5cm土壤溫度和濕度可以解釋土壤自養(yǎng)呼吸速率的36.3%~52.0%和7.2%~9.6%,當土壤含水量低于18%時,濕度因子對土壤自養(yǎng)呼吸起促進作用,當土壤含水量高于18%時,濕度因子對土壤自養(yǎng)呼吸起抑制作用。干旱期內(nèi),土壤溫度和濕度作為調(diào)控土壤呼吸組分的兩大環(huán)境因子,異養(yǎng)呼吸(R2=0.329)對水分依賴性高于自養(yǎng)呼吸(R2=0.174)。雖然處理改變了土壤水熱環(huán)境,但處理間微生物群落結(jié)構(gòu)(微生物量碳氮比)、底物供應(yīng)(全氮、土壤碳氮比、溶解性有機碳)和植物地下部分根系生物量差異并不顯著是導(dǎo)致處理間土壤呼吸組分差異不顯著的主要原因。(5)土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸溫度敏感性對增溫和減雨處理的響應(yīng)并不一致,土壤總呼吸的溫度敏感性介于3.05~3.25之間,土壤異養(yǎng)呼吸的溫度敏感性介于2.54~2.79之間,土壤自養(yǎng)呼吸的溫度敏感性介于4.25~5.97之間。方差分析結(jié)果表明土壤增溫與減雨處理顯著提高了土壤異養(yǎng)呼吸溫度敏感性,但對土壤總呼吸和自養(yǎng)呼吸溫度敏感性響應(yīng)并不顯著。(6)土壤增溫和減雨處理對生長季和非生長季土壤微生物生物量影響不顯著,但顯著改變了生長季革蘭氏陽性菌:革蘭氏陰性菌比值。對生長季和非生長季微生物群落結(jié)構(gòu)進行PCA分析表明:在生長季期間,第一主成分軸能夠解釋微生物群落結(jié)構(gòu)變異的53.0%,第二主成分軸能夠解釋土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變異的29.2%,產(chǎn)生差異的主要原因是減雨樣地具有相對較高的叢枝菌根真菌和真菌豐度,而增溫+減雨樣地比增溫樣地和減雨樣地則具有較低豐度的細菌;在非生長季期間,第一主成分軸能夠解釋微生物群落結(jié)構(gòu)變異的73.4%,第二主成分軸能夠解釋土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變異的11.6%,產(chǎn)生差異的主要原因是對照樣地具有相對較高豐度的叢枝菌根真菌。RDA分析表明:土壤濕度是影響處理間土壤微生物結(jié)構(gòu)分異的主要原因,土壤濕度引起微生物群落結(jié)構(gòu)變化是土壤濕度影響土壤呼吸的主要原因;在水分不是限制因子且溫度較低的非生長季中,土壤底物質(zhì)量和可利用底物的數(shù)量是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要原因。分析土壤增溫和減雨處理對微生物功能的影響時發(fā)現(xiàn):季節(jié)因素并不是影響土壤酶活性變異的主要原因,土壤酶對生長季和非生長季生物和非生物因子的專一性響應(yīng)是導(dǎo)致酶活性變異的主要因素。 【關(guān)鍵詞】：土壤呼吸 異養(yǎng)呼吸 自養(yǎng)呼吸 溫度敏感性 微生物群落結(jié)構(gòu) 微生物功能
【學(xué)位授予單位】：中國林業(yè)科學(xué)研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S714.3
【目錄】：

• 摘要5-8
• Abstract8-18
• 第一章 緒論18-27
• 1.1 引言18-25
• 1.1.1 全球氣候變化18-19
• 1.1.2 氣候變化與碳排放19
• 1.1.3 非生物因子與土壤碳排放19-20
• 1.1.4 生物因子與土壤碳排放20-22
• 1.1.5 氣候變化與呼吸適應(yīng)性22-23
• 1.1.6 氣候變化與微生物群落結(jié)構(gòu)和功能響應(yīng)23-25
• 1.2 研究目的和研究內(nèi)容25-26
• 1.2.1 關(guān)鍵的科學(xué)問題25
• 1.2.2 研究內(nèi)容25-26
• 1.3 技術(shù)路線26-27
• 第二章 土壤增溫和減雨對土壤微環(huán)境和理化性質(zhì)的影響27-45
• 2.1 引言27-28
• 2.2 研究區(qū)域概況28
• 2.2.1 氣候特征28
• 2.2.2 植被特征28
• 2.3 試驗設(shè)計28-29
• 2.4 樣地基本信息29
• 2.5 土壤樣品采集與土壤基本理化性質(zhì)分析29-30
• 2.6 數(shù)據(jù)分析30-31
• 2.7 結(jié)果31-41
• 2.7.1 土壤增溫與減雨處理對土壤微環(huán)境的影響31-33
• 2.7.2 土壤增溫與減雨處理對土壤基本理化性質(zhì)的影響33-36
• 2.7.3 土壤增溫與減雨處理下，根系對土壤基本理化性質(zhì)的影響36-39
• 2.7.4 土壤增溫與減雨處理下，不同采樣時間對土壤基本理化性質(zhì)的影響39-41
• 2.8 討論41-44
• 2.8.1 土壤微環(huán)境對增溫和減雨處理的響應(yīng)41
• 2.8.2 土壤基本理化性質(zhì)對增溫和減雨處理的響應(yīng)41-42
• 2.8.3 增溫與減雨處理下，土壤基本理化性質(zhì)對根系作用的響應(yīng)42-43
• 2.8.4 增溫和減雨處理下，土壤基本理化性質(zhì)對不同季節(jié)的響應(yīng)43-44
• 2.9 小結(jié)44-45
• 第三章 土壤增溫和減雨對土壤總呼吸的影響45-62
• 3.1 引言45-46
• 3.2 材料與方法46-48
• 3.2.1 試驗設(shè)計46
• 3.2.2 土壤呼吸速率和土壤環(huán)境因子測定46-47
• 3.2.3 土壤樣品采集與土壤基本理化性質(zhì)測定47
• 3.2.4 土壤微生物量碳氮測定47-48
• 3.2.5 數(shù)據(jù)分析48
• 3.3 結(jié)果48-56
• 3.3.1 土壤溫濕度與土壤總呼吸的季節(jié)變化48-50
• 3.3.2 土壤總呼吸與土壤溫濕度的關(guān)系50-54
• 3.3.3 土壤總呼吸與土壤碳庫和氮庫關(guān)系54-56
• 3.4 討論56-60
• 3.4.1 增溫與減雨處理下，土壤總呼吸對土壤溫濕度的季節(jié)性響應(yīng)56-58
• 3.4.2 增溫與減雨處理下，土壤總呼吸的適應(yīng)性響應(yīng)機制58-60
• 3.5 小結(jié)60-62
• 第四章 土壤增溫和減雨對土壤異養(yǎng)和自養(yǎng)呼吸的影響62-80
• 4.1 引言62-63
• 4.2 材料與方法63-64
• 4.2.1 試驗設(shè)計63
• 4.2.2 壕溝斷根處理63
• 4.2.3 土壤異養(yǎng)及自養(yǎng)呼吸速率和土壤環(huán)境因子測定63
• 4.2.4 土壤樣品采集與土壤基本理化性質(zhì)、細根和微生物量測定63-64
• 4.2.5 數(shù)據(jù)分析64
• 4.3 結(jié)果64-76
• 4.3.1 土壤溫濕度與土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸的季節(jié)變化64-65
• 4.3.2 土壤增溫與減雨處理對土壤呼吸組分和土壤環(huán)境的影響65-69
• 4.3.3 土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸與土壤溫度和濕度的關(guān)系69-74
• 4.3.4 土壤呼吸組分與土壤碳庫和氮庫的關(guān)系74-76
• 4.4 討論76-79
• 4.4.1 增溫和減雨處理下，土壤呼吸組分對土壤溫濕度的季節(jié)性響應(yīng)76-78
• 4.4.2 增溫和減雨處理下，土壤呼吸組分對土壤碳庫和氮庫響應(yīng)78-79
• 4.5 小結(jié)79-80
• 第五章 土壤增溫和減雨對土壤呼吸溫度敏感性的影響80-89
• 5.1 引言80-81
• 5.2 材料與方法81-82
• 5.2.1 土壤呼吸溫度敏感性估算81
• 5.2.2 數(shù)據(jù)分析81-82
• 5.3 結(jié)果82-84
• 5.3.1 土壤呼吸及其組分溫度敏感性對土壤增溫與減雨的響應(yīng)82-83
• 5.3.2 土壤增溫與減雨處理對土壤呼吸溫度敏感性的影響83
• 5.3.3 土壤呼吸及其組分溫度敏感性與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系83-84
• 5.4 討論84-87
• 5.4.1 增溫和減雨處理下，土壤總呼吸溫度敏感性的響應(yīng)84-85
• 5.4.2 增溫和減雨處理下，土壤異養(yǎng)呼吸和自養(yǎng)呼吸溫度敏感性的響應(yīng)85-87
• 5.5 小結(jié)87-89
• 第六章 土壤增溫和減雨對微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的影響89-107
• 6.1 引言89-90
• 6.2 材料與方法90-92
• 6.2.1 試驗設(shè)計90
• 6.2.2 土壤樣品采集與土壤基本理化性質(zhì)測定90
• 6.2.3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測定90
• 6.2.4 土壤酶活性測定90-92
• 6.2.5 數(shù)據(jù)分析92
• 6.3 結(jié)果92-102
• 6.3.1 土壤增溫和減雨處理對土壤微生物生物量的影響92-93
• 6.3.2 土壤增溫和減雨處理對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響93-95
• 6.3.3 環(huán)境因子對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響95-98
• 6.3.4 土壤增溫和減雨處理對土壤微生物功能的影響98-100
• 6.3.5 生物和非生物因子對土壤微生物功能的影響100-102
• 6.4 討論102-106
• 6.4.1 增溫和減雨處理下，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的響應(yīng)102-104
• 6.4.2 增溫和減雨處理下，土壤微生物功能的響應(yīng)104-106
• 6.5 小結(jié)106-107
• 第七章 結(jié)論與展望107-110
• 7.1 結(jié)論107-108
• 7.2 展望108-110
• 參考文獻110-131
• 在讀期間學(xué)術(shù)研究131-132
• 致謝132-133

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